Un fascicul de neutroni „răsuciți” cu un moment unghiular orbital (OAM) bine definit a fost creat de cercetători din Canada și SUA. Acest lucru a fost realizat prin trecerea unui fascicul de neutroni dintr-un reactor nuclear printr-o serie specială de rețele de difracție. Descris ca fiind prima observație a unui fascicul de neutroni cu un OAM bine definit, experimentul este punctul culminant a câțiva ani de muncă a unora dintre membrii echipei, care au raportat pentru prima dată observații provizorii ale neutronilor răsuciți în 2015.
Conform mecanicii cuantice, particulele subatomice, cum ar fi neutronii, se comportă atât ca unde, cât și ca particule. Această dualitate undă-particulă a dat naștere câmpului larg și fructuos al împrăștierii neutronilor, prin care structurile interioare ale materialelor sunt sondate folosind fascicule de neutroni de la reactoare și acceleratoare nucleare. În timp ce astfel de experimente au folosit mult timp impulsul unghiular intrinsec (spin) al neutronului, fizicienii sunt, de asemenea, dornici să creeze și să detecteze fascicule de neutroni răsucite care poartă OAM.
Cercetătorii au reușit deja să creeze fascicule de lumină răsucită și electroni răsuciți în care fronturile de undă se rotesc în jurul direcției de propagare, purtând astfel OAM. Aceste fascicule au o gamă largă de aplicații curente și potențiale, inclusiv studierea moleculelor chirale și creșterea capacității sistemelor de telecomunicații optice.
Provocări experimentale
Până acum, însă, fizicienii s-au străduit să creeze fascicule de neutroni răsucite. În 2015, Dmitri Pușin și colegii de la Universitatea din Waterloo, împreună cu fizicienii de la Joint Quantum Institute din Maryland și de la Universitatea din Boston au publicat o lucrare în Natură acea a descris o tehnică pentru crearea de neutroni răsuciți prin trecerea unui fascicul de neutroni printr-o placă de fază spiralată (SPP) – un dispozitiv care a fost folosit pentru a crea lumină răsucită și electroni răsuciți.
Au făcut acest lucru împărțind un fascicul de neutroni în două și trimițând un fascicul prin SPP. Cele două fascicule au fost apoi recombinate, iar cercetătorii au măsurat un efect de interferență legat de momentul unghiular orbital. Cu toate acestea, în 2018 o echipă independentă de fizicieni calcule publicate care a arătat că efectul de interferență măsurat de Pushin și colegii nu a fost legat de momentul unghiular orbital.
Nedescurajați, Pushin și colegii au adoptat o nouă abordare și susțin acum succes. În loc să folosească un SPP, cercetătorii au folosit o tehnică holografică care implică o serie de milioane de grătare speciale realizate din siliciu. Fiecare grătar are o „dislocare a furcii”, prin care una dintre liniile din grătar se împarte în patru linii, creând o structură asemănătoare unei furci (vezi figura).
Șase milioane de grătare
Fiecare grătar măsoară un micron pătrat și cuprinde structuri de siliciu care au o înălțime de 500 nm și sunt separate de aproximativ 120 nn. Matricea acoperă o suprafață de 0.5×0.5 cm2 și include peste șase milioane de grătare individuale.
Fizicienii pun la îndoială neutronii „răușiți”.
Echipa și-a testat sistemul pe o linie de radiație cu împrăștiere a neutronilor cu unghi mic (SANS) la reactorul cu izotop de mare flux de la Laboratorul Național Oak Ridge din Tennessee. Cercetătorii spun că configurația SANS a oferit mai multe avantaje, inclusiv capacitatea de a mapa fasciculul de neutroni în câmpul îndepărtat - ceea ce a însemnat că ar putea fi folosită o tehnică holografică pentru a crea neutronii răsuciți. De asemenea, instrumentația de pe linia fasciculului ar putea fi adaptată pentru a măsura momentul unghiular orbital al neutronilor.
După ce a trecut prin matrice, fasciculul de neutroni a parcurs o distanță de 19 m până la o cameră de neutroni. Imaginile realizate de cameră arată modelul distinctiv în formă de gogoașă care este așteptat de la un fascicul de neutroni răsuciți care se află într-o stare specifică de moment unghiular orbital. Modelele în formă de gogoși aveau aproximativ 10 cm în diametru.
Echipa spune că configurația lor ar putea fi folosită pentru a studia proprietățile topologice ale materiei - proprietăți care s-ar putea dovedi utile în dezvoltarea de noi tehnologii cuantice. Ar putea fi, de asemenea, utilizat în studii fundamentale despre modul în care momentul unghiular orbital afectează modul în care neutronii interacționează cu materia.
Cercetarea este descrisă în Avansuri de știință.
